WO2002048033A1 - Verfahren zur herstellung von hochreinem, granularem silizium - Google Patents

Verfahren zur herstellung von hochreinem, granularem silizium Download PDF

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Sigurd Buchholz
Maria Pilar Tejero Ezpeleta
Oliver Felix-Karl SCHLÜTER
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing high-purity, granular silicon by decomposing a silicon-containing gas and the use of the elemental silicon thus produced in photovoltaics and semiconductor technology.
  • Gases containing silicon are understood to mean silicon compounds or mixtures of silicon compounds which can be decomposed from the gas phase with the deposition of silicon under the conditions according to the invention.
  • Silicon-free gases in the sense of this invention are gases which contain no silicon compounds.
  • thermal decomposition of volatile silicon compounds are known for obtaining elemental silicon of a purity grade which permits its use in photovoltaics or in semiconductor technology.
  • Such thermal decompositions can be carried out, for example, in fluidized bed reactors in which small silicon particles are placed and these are fluidized by the inflow of a suitable silicon-containing gas or gas mixture, the gas mixture being able to contain silicon-free as well as silicon-free gases.
  • the thermal decomposition of the volatile silicon compound should only take place on the surface of the silicon particles.
  • the small silicon particles presented, hereinafter referred to as seed particles form a large area within the reactor for the deposition of the silicon. Particles that have grown to a sufficient size are removed from the reactor and new seed particles are added.
  • the object of the present invention was to develop a process control which allows a controlled generation of germ particles in the reaction space without the above-described accumulation occurring.
  • the rate of formation of the seed particles described above during the decomposition of a silicon-containing gas in a fluidized bed reactor depends strongly on the reaction conditions chosen, in particular silane partial pressure, Total pressure, auxiliary fluidization gas, gas velocity and reaction temperature. It has now surprisingly been found that a procedure with at least two operating states, in which seed particles are increasingly generated in one state and these particles are enlarged in a further state by the main deposition of silicon on the seed particles, solves the present object.
  • the invention thus relates to a process for the production of granular silicon by thermal decomposition of a silicon-containing gas, which is characterized in that a process is carried out with at least two operating states in which
  • germ particles are increasingly generated from the thermal decomposition of the silicon-containing gas
  • the production of granular silicon is preferably carried out in such a way that
  • the partial pressure of the silicon-containing gas is> 200 mbar
  • the partial pressure of the silicon-containing gas is ⁇ 200 mbar.
  • the partial pressure of the silicon-containing gas can be influenced both by adjusting the total pressure and by adjusting the concentration of silicon-containing gas in the gas stream which is fed to the reactor.
  • the operating states can be cycled through in immediate succession. However, it is also possible for the operating states a) and b) to be interrupted by one or more further operating states.
  • the other operating states are, for example, flushing with inert gases or reactive gases, an increase or decrease in the temperature, a change in the concentration of the silicon-containing gas, a change in the gas velocity, an addition of further silicon-containing gases or the addition or removal of particles.
  • the process according to the invention can be carried out in different reactor types. Suitable reactors, in particular fluidized bed reactors, are already known. The use of a fluidized bed reactor is preferred. Reactors with a bubble-forming or circulating fluidized bed, as well as bubble bed, wall-bed and downpipe reactors, may be mentioned here as examples.
  • the process can be carried out, for example, continuously or batchwise.
  • the continuous procedure is preferred.
  • the silicon particles formed by deposition can be discharged from the reactor continuously or batchwise.
  • Silanes As a silicon-containing gas, silanes, silicon iodides and halosilanes of chlorine, bromine and iodine come into question. Mixtures of the compounds mentioned can also be used. It is irrelevant whether the silicon compound is already gaseous at room temperature or whether it first has to be converted into the gas state. The conversion into the gas state can, for example, take place thermally.
  • Silanes are preferably used. Examples include SiH 4 , Si 2 H 6 , Si 3 H 8 , Si 4 H ⁇ 0 and Si 6 H ⁇ . SiBU is particularly preferred.
  • the process according to the invention for producing high-purity, granular silicon with the addition of a silicon-free gas or a mixture of several silicon-free gases.
  • the amount of silicon-free gas added can be 0 to 98% by volume, based on the total gas supplied.
  • the addition of the silicon-free gas and / or the mixture of silicon-free gases influences the formation of silicon dust during the thermal decomposition of the silicon-containing gas.
  • Suitable silicon-free gases are, for example, the noble gases, nitrogen and hydrogen, it being possible for the silicon-free gases to be used individually or in any combination. Nitrogen and hydrogen are preferred, and hydrogen is particularly preferred.
  • the temperature can be varied in the temperature range from 300 ° C to 1400 ° C. However, it must be high enough to ensure the decomposition of the silicon-containing gas and must not exceed the melting temperature of the silicon produced.
  • the advantageous temperature range is between 500 ° C and 1400 ° C.
  • a decomposition temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. is preferred, particularly preferably 620 ° C. to 800 ° C.
  • the corresponding range lies between 850 ° C and 1250 ° C, with other halosilanes between 500 ° C and 1400 ° C.
  • SiH 4 is used as the silicon-containing gas and the process is carried out at temperatures from 500 ° C. to 1400 ° C.
  • solid particles hereinafter referred to as particles, are placed in a fluidized bed reactor in the reaction space.
  • the particles form a fixed bed through which the supplied gas flows.
  • the inflow rate of the supplied gas is adjusted so that the fixed bed is fluidized and a fluidized bed is formed.
  • the corresponding procedure is known per se to the person skilled in the art.
  • the inflow speed of the supplied gas must at least correspond to the loosening speed.
  • Loosening speed is understood to mean the speed at which a gas flows through a bed of particles and below which the fixed bed is retained, ie below which the bed particles remain largely stationary. The fluidization of the bed begins above this speed, ie the bed particles move and the first bubbles form.
  • the inflow speed of the supplied gas is one to ten times, preferably one and a half to seven times, the loosening speed.
  • Particles with a diameter of 50 to 5000 ⁇ m are advantageously used.
  • the particles used are preferably silicon particles. These silicon particles advantageously have the purity that is also desired for the high-purity, granular silicon produced. However, it is also possible to use silicon particles with certain doping if doped material is desired.
  • the method according to the invention can be carried out, for example, in such a way that the concentration of silicon-containing gas is kept constant and the operating states to be run through according to the invention are set by changing the total pressure.
  • the concentration of silicon-containing gas is preferably 10 to 100 vol .-%, particularly preferably 50 to 100 vol .-% based on the total gas fed to the reactor.
  • the total pressure is kept constant and the operating states to be run through according to the invention are set by changing the concentration of silicon-containing gas.
  • the total pressure is preferably 100 to 2000 mbar, particularly preferably 400 to 1200 mbar. All specified pressure values are absolute pressure values. If the process is carried out in a fluidized bed, the pressure values given are to be understood as the pressure behind the fluidized bed, as seen in the direction of flow, unless stated otherwise.
  • the operating states to be run through according to the invention can also be set by changing the total pressure and the concentration of silicon-containing gas.
  • Work is preferably carried out at a constant concentration of silicon-containing gas and variation of the total pressure.
  • the maximum amount of germ particles is reached at a total pressure of about 600 to 700 mbar at a constant silane concentration decreases again with further pressure increase.
  • the operating state in which more nucleus particles are generated from the thermal decomposition of the silicon-containing gas is accordingly carried out in the corresponding pressure range in this case. Since the seed particle formation rate can be controlled by the choice of the reaction conditions, different operating modes are combined in the process control according to the invention, in order to generate seed particles “in situ” on the one hand and to avoid accumulation of the seed particles on the other hand.
  • the method according to the invention is also characterized in that the silicon particles obtained, which are formed by growing silicon on seed particles formed in situ, have a spherical, coreless structure.
  • a coreless structure is understood to mean that the silicon particles have a homogeneous structure over the entire grain volume. If, on the other hand, the thermal decomposition of a silicon-containing gas takes place in a known manner on seed particles that were not generated in situ, then no silicon particle with a homogeneous structure is created, but a silicon particle in which the deposited silicon forms a layer around a core, namely the seed particle used , If the cut surface through such a silicon particle is examined using scanning electron microscopy, the transition from seed particles to grown silicon can be clearly recognized.
  • a silicon particle that was produced by the method according to the invention has no such transition.
  • the coreless silicon particles which can be produced by the process according to the invention have advantageous fracture properties, flow properties and melting properties.
  • the melting properties are particularly important in further processing of the silicon particles, for example for the production of multicrystalline silicon blocks or silicon wafers.
  • the invention therefore furthermore relates to high-purity, granular silicon particles which are distinguished by the fact that they have a coreless structure.
  • the high-purity, granular silicon particles with a coreless structure are preferably produced by the process according to the invention.
  • the silicon produced by the method according to the invention can be used, for example, in photovoltaics and for the production of electronic components.
  • the selectivities for the formation of CVD silicon, germ particles and dust were then determined on the basis of a mass balance. A total of 466.9 g of silicon were deposited. The selectivities listed in Table 1 were obtained, the selectivity for the formation of seed particles was 4.6%.
  • V2 a further test
  • 800 g of silicon particles with an average diameter of 346 ⁇ m were introduced, the total pressure in the reactor was increased to 650 mbar and the test was carried out as described above.
  • 635.2 g of silicon were deposited, which led to an increase in the average particle diameter from 346 to 384 ⁇ m.
  • the selectivity for the formation of seed particles rose to 24.4%.
  • the example clearly illustrates the influence of the total pressure on the product distribution with a constant proportion of silicon-containing gas in the total gas supplied.
  • Table 1 p tot : total pressure si H4 : proportion of SiH 4 in the supplied gas stream S CVD - 'selectivity for the formation of CVD silicon Si e impart .: selectivity for the formation of seed particles Ss tau : selectivity for the formation of dust
  • Table 2 p to t: total pressure psi H4 : partial pressure of SiHt in the supplied gas stream p m : partial pressure of H 2 in the supplied gas stream S CVD : selectivity to form CVD silicon S ⁇ eim P art .: selectivity to form germ particles Ss deaf : Selectivity to form dust
  • V8 A representative sample of 800 g of the silicon particles that were formed in V7 was then subjected to a new pyrolysis process under the same conditions (V8).
  • the mean diameter of the particles grew from 333 ⁇ m to 361 ⁇ m.
  • the selectivity to seed particles increased from 22.8% in V7 to 44.8% (Table 3).
  • the selected reaction conditions accordingly lead to an accumulation of germ particles in the fluidized bed, the germ particles growing from an average of 45 ⁇ m according to V7 to 72 ⁇ m according to V8. As the operating time increases, both the number and the size of the germ particles increase.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von hochreinem, granularem Silizium durch Zersetzung eines siliziumhaltigen Gases in einem Verfahren mit mindestens zwei Betriebszuständen, in denen in mindestens einem Zustand eine verstärkte Bildung von Keimpartikeln aus der Zersetzung des siliziumhaltigen Gases und in mindestens einem weiteren Zustand eine verstärkte Abscheidung des Siliziums unter Anwachsen des Siliziumgranalien-Durchmessers erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des so hergestellten Siliziums und hochreine, granulare Siliziumpartikel, die sich durch eine kernlose Struktur auszeichnen.

Description

Nerfahren zur Herstellung von hochreinem, granulärem Silizium
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem, granulärem Silizium durch Zersetzung eines siliziumhaltigen Gases und die Verwendung des so hergestellten elementaren Siliziums in der Photovoltaik und der Halbleitertechnologie.
Unter siliziumhaltigen Gasen werden Siliziumverbindungen oder Gemische von Sili- ziumverbindungen verstanden, die sich unter den erfindungsgemäßen Bedingungen aus der Gasphase unter Abscheidung von Silizium zersetzen lassen. Siliziumfreie Gase im Sinne dieser Erfindung sind solche Gase, die keine Siliziumverbindungen enthalten.
Zur Gewinnung von elementarem Silizium eines Reinheitsgrades, das dessen Verwendung in der Photovoltaik beziehungsweise in der Halbleitertechnologie erlaubt, sind Verfahren zur thermischen Zersetzung von flüchtigen Siliziumverbindungen bekannt. Solche thermischen Zersetzungen können beispielsweise in Wirbelschichtreaktoren durchgeführt werden, in denen kleine Siliziumpartikel vorgelegt und diese durch Einströmen eines geeigneten siliziumhaltigen Gases oder Gasgemisches fluidisiert werden, wobei das Gasgemisch neben siliziumhaltigen auch siliziumfreie Gase enthalten kann. Die thermische Zersetzung der flüchtigen Siliziumverbindung soll im Idealfall ausschließlich auf der Oberfläche der vorgelegten Siliziumpartikel stattfinden. Die vorgelegten kleinen Siliziumpartikeln, im folgenden Keimpartikeln genannt, bilden innerhalb des Reaktors eine große Fläche zur Abscheidung des Siliziums. Partikeln, die auf eine genügende Größe angewachsen sind, werden aus dem Reaktor entfernt und es werden neue Keimpartikeln zugegeben.
Es ist aus US-A-3,012,861 bekannt, dass sich die Zersetzung von Silan bei einem Unterdruck im Reaktor und hohen Partialdrücken an silanhaltigem Gas durchführen lässt. Es wurde nun überraschend gefunden, dass sich bei einer Führung der Reaktion unter Unterdruck, neben Staub (Partikeldurchmesser Dp = <1 μm bis ca. 25 μm) und den Siliziumgranalien (Dp = >100 bis <5000 μm) auch eine Fraktion kleiner Partikel (Dp = 25 bis < 100 μm) bildet, die innerhalb der Wirbelschicht verbleibt. Auf dieser Partikelfraktion scheidet sich ebenfalls Silizium während der Reaktion ab, d.h. diese Partikel wirken als Keimpartikel. Diese Partikel machen also die Zugabe von Keimpartikeln mit einem kleinen Durchmesser überflüssig. Dies minimiert das Risiko der Verunreinigung des Reinstsiliziums durch und während der Keim- partikelnzugabe und macht das Verfahren einfacher, da auf aufwendige Dosiersysteme verzichtet werden kann. Weiter kann das Verfahren leicht in einem kontinuierlichen Verfahren angewandt werden.
Es zeigte sich jedoch auch, dass bei der kontinuierlichen Erzeugung von Keimpartikeln während der Reaktionsfuhrung im Reaktor eine Akkumulation von feinen Keimpartikeln dann auftritt, wenn die Bildungsrate der kleinen Partikeln größer ist, als die Austragsrate an Partikeln der gewünschten Größe, d.h. wenn neue Partikeln schneller gebildet werden als Partikeln durch die Silanzersetzung aufwachsen und eine definierte Größe erreichen. Da die kleinen Keimpartikeln aufgrund ihres geringeren Durchmessers eine (auf das Gewicht bezogene) höhere spezifische Oberfläche aufweisen als die aufgewachsenen Granalien, führt dies dazu, dass sich eine sehr breite Partikelgrößenverteilung einstellt und der Anteil an Keimpartikeln ständig zunimmt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand nun darin, eine Verfahrensfuhrung zu entwickeln, die eine kontrollierte Erzeugung von Keimpartikeln im Reaktionsraum erlaubt, ohne dass es zur oben beschriebenen Akkumulation kommt.
Die Bildungsgeschwindigkeit der oben beschriebenen Keimpartikeln während der Zersetzung eines siliziumhaltigen Gases in einem Wirbelschichtreaktor hängt stark von den gewählten Reaktionsbedingungen, insbesondere Silanpartialdruck, Gesamtdruck, Fluidisierungshilfsgas, Gasgeschwindigkeit und Reaktionstemperatur ab. Es wurde nun überraschend gefunden, dass eine Verfal rensführung mit mindestens zwei Betriebszuständen, in denen in einem Zustand verstärkt Keimpartikeln generiert werden und in einem weiteren Zustand diese Partikeln durch hauptsächlich stattfindende Abscheidung von Silizium auf den Keimpartikeln vergrößert werden, die vorliegende Aufgabe löst.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von granulärem Silizium durch thermische Zersetzung eines siliziumhaltigen Gases, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Verfahrensführung mit mindestens zwei Betriebszuständen durchgeführt wird, in denen
a) in einem Zustand verstärkt Keimpartikeln aus der thermischen Zersetzung des siliziumhaltigen Gases generiert werden und
b) in einem weiteren Zustand diese Partikeln durch hauptsächlich stattfindende Abscheidung von Silizium vergrößert werden.
Bevorzugt wird die Herstellung von granulärem Silizium so durchgeführt, dass
a) in einem Betriebszustand der Partialdruck des siliziumhaltigen Gases > 200 mbar beträgt und
b) in einem weiteren Betriebszustand der Partialdruck des siliziumhaltigen Gases < 200 mbar beträgt.
Der Partialdruck des siliziumhaltigen Gases kann dabei sowohl durch die Einstellung des Gesamtdrucks, als auch durch die Einstellung der Konzentration an siliziumhaltigem Gas im Gasstrom, der dem Reaktor zugeführt wird, beeinflusst werden. Die Betriebszustände können unmittelbar aufeinander folgend zyklisch durchlaufen werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Betriebszustände a) und b) durch einen oder mehrere weitere Betriebszustände unterbrochen werden.
Bei den weiteren Betriebszuständen handelt es sich beispielsweise um Spülungen mit Inertgasen oder Reaktivgasen, eine Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur, eine Veränderung der Konzentration des siliziumhaltigen Gases, eine Veränderung der Gasgeschwindigkeit, eine Zugabe von weiteren siliziumhaltigen Gasen oder die Zugabe oder Entnahme von Partikeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in verschiedenen Reaktortypen durchgeführt werden. Geeignete Reaktoren, insbesondere Wirbelbettreaktoren sind bereits bekannt. Bevorzugt ist die Verwendung eines Wirbelbettreaktors. Beispielhaft seien hier Reaktoren mit einem blasenbildenden oder zirkulierenden Wirbelbett genannt, des weiteren Sprudelbett-, Wandefbett- und Fallrohrreaktoren.
Das Verfahren lässt sich beispielsweise kontinuierlich oder diskontinuierlich durchführen. Bevorzugt ist die kontinuierliche Vorgehensweise. Der Austrag der durch Abscheidung gebildeten Siliziumpartikel aus dem Reaktor kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Durch die erfindungsgemäße Verfahrensfϊihrung wird der Verlust von Partikeln durch Austrag von Produkt aus dem Reaktor durch die in-situ-Generierung neuer Keimpartikel ersetzt. Es ist aber auch möglich zusätzlich Keimpartikel zuzugeben. Die zusätzliche Zugabe von Keimpartikeln kann kontinuierlich oder absatzweise durchgeführt werden.
Als siliziumhaltiges Gas kommen Silane, Siliziumiodide und Halosilane des Chlors, Broms und Iods in Frage. Es können auch Gemische der genannten Verbindungen verwendet werden. Dabei ist es unerheblich, ob die Siliziumverbindung bei Raumtemperatur bereits gasförmig ist oder zunächst in den Gaszustand überführt werden muss. Die Überführung in den Gaszustand kann beispielsweise thermisch erfolgen. Bevorzugt werden Silane eingesetzt. Beispielhaft seien SiH4, Si2H6, Si3H8, Si4Hι0 und Si6Hι genannt. Besonders bevorzugt ist SiBU.
Es ist möglich, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung hochreinen, granulären Siliziums unter Zugabe eines siliziumfreien Gases oder einer Mischung mehrerer siliziumfreier Gase durchzuführen. Beispielsweise kann die zugesetzte Menge an siliziumfreiem Gas 0 bis 98 Vol.-% bezogen auf das insgesamt zugeführte Gas, betragen. Der Zusatz des siliziumfreien Gases und/oder der Mischung aus siliziumfreien Gasen beeinflusst die Bildung von Siliziumstaub bei der thermischen Zersetzung des siliziumhaltigen Gases. Es ist jedoch auch möglich, auf den Zusatz eines siliziumfreien Gases zu verzichten.
Geeignete siliziumfreie Gase sind beispielsweise die Edelgase, Stickstoff und Wasserstoff, wobei die siliziumfreien Gase einzeln oder in beliebiger Kombination eingesetzt werden können. Bevorzugt sind Stickstoff und Wasserstoff, besonders bevorzugt ist Wasserstoff.
Die Temperatur kann im Temperaturbereich von 300°C bis 1400°C variiert werden. Sie muss jedoch so hoch sein, dass die Zersetzung des siliziumhaltigen Gases gewährleistet ist und darf die Schmelztemperatur des hergestellten Siliziums nicht überschreiten. Bei Verwendung von S1H liegt der vorteilhafte Temperaturbereich zwischen 500°C und 1400°C. Bevorzugt ist eine Zersetzungstemperatur von 600°C bis 1000°C, besonders bevorzugt 620°C bis 800°C. Bei Verwendung von S1I4 Hegt der entsprechende Bereich zwischen 850°C und 1250°C, bei anderen Halosilanen zwischen 500°C und 1400°C.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als siliziumhaltiges Gas SiH4 verwendet und bei Temperaturen von 500°C bis 1400°C gearbeitet. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einem Wirbelschichtreaktor im Reaktionsraum Feststoffpartikel, im weiteren Partikel genannt, vorgelegt. Die Partikel bilden ein Festbett, durch das das zugeführte Gas eingeströmt wird. Die Einströmgeschwindigkeit des zugeführten Gases wird so eingestellt, dass das Festbett fluidisiert wird und sich eine Wirbelschicht ausbildet. Die entsprechende Vorgehensweise ist dem Fachmann an und für sich bekannt. Die Einströmgeschwindigkeit des zugeführten Gases muss mindestens der Lockerungsgeschwindigkeit entsprechen. Unter Lockerungsgeschwindigkeit wird dabei die Geschwindigkeit verstanden, mit der ein Gas durch ein Bett aus Partikeln strömt und unterhalb derer das Festbett erhalten bleibt, d.h. unterhalb derer die Bettpartikel weitgehend unbewegt bleiben. Oberhalb dieser Geschwindigkeit beginnt die Fluidi- sierung des Betts, d.h. die Bettpartikel bewegen sich und es bilden sich erste Blasen.
Die Einströmgeschwindigkeit des zugeführten Gases beträgt bei dieser bevorzugten Ausführungsform die ein- bis zehnfache, bevorzugt die eineinhalb- bis siebenfache Lockerungsgeschwindigkeit.
Vorteilhaft werden Partikel eingesetzt, die einen Durchmesser von 50 bis 5000 μm aufweisen.
Bei den verwendeten Partikeln handelt es sich vorzugsweise um Siliziumpartikel. Vorteilhafterweise haben diese Siliziumpartikel die Reinheit, die auch für das hergestellte hochreine, granuläre Silizium gewünscht wird. Es ist aber auch möglich Siliziumpartikel mit bestimmten Dotierungen einzusetzen, wenn dotiertes Material gewünscht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahrens kann beispielsweise so durchgeführt werden, dass die Konzentration an siliziumhaltigem Gas konstant gehalten wird und die erfindungsgemäß zu durchlaufenden Betriebszustände durch Änderung des Gesamtdrucks eingestellt werden. Vorzugsweise beträgt die Konzentration an siliziumhaltigem Gas 10 bis 100 Vol.-%, besonders bevorzugt 50 bis 100 Vol.-% bezogen auf das gesamte dem Reaktor zugeführte Gas.
Es ist auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahrens so durchzuführen, dass der Gesamtdruck konstant gehalten wird und die erfindungsgemäß zu durchlaufenden Betriebszustände durch Änderung der Konzentration an siliziumhaltigem Gas eingestellt werden. Vorzugsweise beträgt der Gesamtdruck 100 bis 2000 mbar, besonders bevorzugt 400 bis 1200 mbar. Alle angegebenen Druckwerte sind absolute Druckwerte. Wird das Verfahren in einer Wirbelschicht durchgeführt ist unter den angegebenen Druckwerten der, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Wirbelschicht herrschende Druck zu verstehen, wenn dies nicht anders angegeben wird.
Selbstverständlich können die erfindungsgemäß zu durchlaufenden Betriebszustände auch durch Änderung des Gesamtdrucks und der Konzentration an siliziumhaltigem Gas eingestellt werden.
Vorzugsweise wird bei konstanter Konzentration an siliziumhaltigem Gas und Variation des Gesamtdrucks gearbeitet.
Es ist zu beachten, dass insbesondere in Abhängigkeit vom gewählten siliziumhaltigen Gas und der Temperatur ein Bereich des Gesamtdrucks und der Konzentration an siliziumhaltigem Gas existiert, an dem die Menge an gebildeten Keimpartikeln maximal wird. Diese Bereiche lassen sich experimentell ermitteln.
Wird als siliziumhaltiges Gas beispielsweise Silan SiH4 in einer Konzentration von 90 bis 100 Vol.-% bei einer Temperatur von 650 bis 700°C umgesetzt, wird bei konstanter Silankonzentration die maximale Menge an Keimpartikeln bei einem Gesamtdruck von etwa 600 bis 700 mbar erreicht und nimmt bei weiterer Druckerhöhung wieder ab. Vorzugsweise wird der Betriebszustand in dem verstärkt Keimpartikeln aus der thermischen Zersetzung des siliziumhaltigen Gases generiert werden in diesem Fall demnach im entsprechenden Druckbereich durchgeführt. Da die Keimpartikelnbildungsgeschwindigkeit durch die Wahl der Reaktionsbedingungen gesteuert werden kann, werden in der erfindungsgemäßen Verfahrens- fuhrung unterschiedliche Betriebsmodi kombiniert, um einerseits Keimpartikeln „in- situ" zu generieren und andererseits eine Akkumulation der Keimpartikeln zu vermeiden.
Die Zugabe von Wasserstoff zum siliziumhaltigen Gas, das dem Reaktor zugeführt wird, in dem die thermische Zersetzung erfolgt, führt zu einer Erhöhung der Menge an gebildeten Keimpartikeln, solange gewährleistet ist, dass der Partialdruck des siliziumhaltigen Gases größer als 200 mbar ist. Es ist also vorteilhaft, das erfϊn- dungsgemäße Verfahren so zu führen, dass in dem Betriebszustand, in dem es vermehrt zur Bildung von Keimpartikeln kommt, dem siliziumhaltigen Gas Wasserstoff zugegeben wird.
Neben den bereits erläuterten verfahrenstechnischen Vorteilen zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch dadurch aus, dass die gewonnenen Siliziumpartikeln, die durch Aufwachsen von Silizium auf in-situ gebildete Keimpartikel entstehen, eine sphärische, kernlose Struktur aufweisen. Unter kernloser Struktur wird dabei verstanden, dass die Siliziumpartikeln über das gesamte Kornvolumen eine homogene Struktur aufweisen. Erfolgt die thermische Zersetzung eines siliziumhaltigen Gases hingegen in bekannter Weise auf Keimpartikeln, die nicht in- situ generiert wurden, so entsteht kein Siliziumpartikel mit homogener Struktur, sondern ein Siliziumpartikel, bei dem das abgeschiedene Silizium eine Schicht um einen Kern, nämlich das eingesetzte Keimpartikel bildet. Wird die Schnittfläche durch ein solches Siliziumpartikel mittels Rasterelektronenmikroskopie untersucht, lässt sich der Übergang von Keimpartikel zu aufgewachsenem Silizium klar erkennen. Ein Siliziumpartikel, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wurde, weist hingegen keinen solchen Übergang auf. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren kernlosen Siliziumpartikel weisen vorteilhafte Brucheigenschaften, Fließeigenschaften und Schmelzeigenschaften auf. Insbesondere die Schmelzeigenschaften sind bei einer Weiterverarbeitung der Siliziumpartikel, beispielsweise zur Herstellung von multikristallinen Siliziumblöcken oder Siliziumscheiben, besonders wichtig.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind daher hochreine, granuläre Siliziumpartikel, die sich dadurch auszeichnen, dass sie eine kernlose Struktur aufweisen.
Vorzugsweise werden die hochreinen, granulären Siliziumpartikel mit kernloser Struktur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Silizium kann beispielsweise in der Photovoltaik und zur Herstellung von elektronischen Bauteilen verwendet werden.
Die folgenden Beispiele illustrieren mögliche Betriebszustände der erfindungs- gemäßen Verfahrensführung, wobei die Beispiele jedoch nicht einschränkend aufzufassen sind. Prozentangaben in den Beispielen stellen, soweit nichts anderes gesagt ist, Gewichtsprozent dar.
Beispiel 1 Steuerung der Keimpartikelbildung durch den Silanpartialdruck
In einem Versuchswirbelschichtreaktor (Durchmesser = 52,4 mm, Höhe mit expandiertem Kopf = 1600 mm) wurden 800 g Siliziumpartikeln mit einem mittleren Durchmesser von 338 μm vorgelegt. Der Versuch wurde bei einem Druck von 500 mbar durchgeführt. Nach dem Anfahren und Aufheizen des Wirbelbettes auf eine Temperatur von 680°C in Stickstoff wurde die Silankonzentration (SiEU) am Eingang des Reaktors von 0 auf 100 Vol.-% bezogen auf die Gesamtmenge an zugeführtem Silan und Stickstoff eingestellt. Der Versuch, im weiteren als VI bezeichnet, wurde solange betrieben, bis die Partikeln durch die Abscheidung von Silan (SiEU) im mittleren Durchmesser von 338 auf 360 μm angewachsen waren. Nach Abkühlen dieser Partikel wurden diese aus dem Reaktor entfernt. Dann wurden anhand einer Massenbilanz die Selektivitäten zur Bildung von CVD-Silizium, Keimpartikeln und Staub bestimmt. Es wurden insgesamt 466,9 g Silizium abgeschieden. Dabei wurden die in Tabelle 1 aufgelisteten Selektivitäten erhalten, die Selektivität zur Bildung von Keimpartikeln lag bei 4,6 %.
In einem weiteren Versuch (V2) wurden 800 g Siliziumpartikeln mit einem mittleren Durchmesser von 346 μm vorgelegt, der Gesamtdruck im Reaktor auf 650 mbar erhöht und der Versuch, wie oben beschrieben, durchgeführt. Es wurden 635,2 g Silizium abgeschieden, was zu einem Anwachsen des mittleren Partikeldurchmessers von 346 auf 384 μm führte. Die Selektivität zur Bildung von Keimpartikeln stieg dabei auf 24,4 % an.
Eine weitere Erhöhung des Silanpartialdrucks auf 700 mbar im Versuch V3 führte zu einem erneuten Absinken der Selektivität zu Keimpartikeln auf 16,8 %.
Das Beispiel illustriert deutlich den Einfluss des Gesamtdrucks bei gleichbleibendem Anteil an siliziumhaltigem Gas im insgesamt zugeführten Gas auf die Produktverteilung.
Figure imgf000012_0001
Tabelle 1 : ptot: Gesamtdruck siH4: Anteil an SiH4 im zugeführten Gasstrom SCVD-' Selektivität zur Bildung von CVD-Silizium Si eimpart.: Selektivität zur Bildung von Keimpartikeln Sstau : Selektivität zur Bildung von Staub
Beispiel 2 Steuerung der Keimpartikelbildung durch den Wasserstoffpartialdruck
In einem Versuchswirbelschichtreaktor (Durchmesser = 52,4 mm, Höhe mit expandiertem Kopf = 1600 mm) wurden 800 g Siliziumpartikeln mit einem mittleren Durchmesser von 334-345 μm vorgelegt. Das Experiment wurde bei einem Druck von 500 mbar (VI, V4, V5) bzw. 650 mbar (V6) durchgeführt. Nach dem Anfahren und Aufheizen des Wirbelbettes auf eine Temperatur von 680°C in Stickstoff wurde die Silankonzentration (SiH4) am Eingang des Reaktors von 0 auf 100 Vol.-% bezogen auf die Gesamtmenge an zugeführtem Silan und Stickstoff eingestellt. Dann wurde jeweils eine Konzentration an Wasserstoff eingestellt, so dass sich die in Tabelle 2 angegebenen Partialdrücke für Wasserstoff ergaben, und die Reaktion durchgeführt, bis die Partikeln durch die Abscheidung von Silan (SiEL) im mittleren Durchmesser von 334-345 μm auf 356-383 μm angewachsen waren. Die angewachsenen Partikeln wurden nach dem Abkühlen aus dem Reaktor entfernt. Dann wurden anhand einer Massenbilanz die Selektivitäten zur Bildung von CVD- Silizium, Keimpartikeln und Staub bestimmt (Tabelle 2). Es zeigte sich, dass mit zunehmendem Wasserstoffpartialdruck die Selektivität zur Bildung von Keimpartikeln von 4,6 % auf 20,8 % zunimmt. Durch eine Zudosierung von Wasserstoff lässt sich also die Menge an gebildeten Keimpartikeln erhöhen. Bei geringen Silanpartialdrücken, d.h. bei Silanpartialdrücken kleiner 200 mbar, geht die Selektivität zu Keimpartikeln jedoch trotz hoher Wasserstof artialdrücke wieder stark zurück.
Figure imgf000013_0001
Tabelle 2 : ptot: Gesamtdruck psiH4: Partialdruck von SiHt im zugeführten Gasstrom pm: Partialdruck von H2 im zugeführten Gasstrom SCVD: Selektivität zur Bildung von CVD-Silizium SκeimPart.: Selektivität zur Bildung von Keimpartikeln Sstaub: Selektivität zur Bildung von Staub
Beispiel 3 Betriebszustand zur verstärkten Bildung von Keimpartikeln
In einem Versuchswirbelschichtreaktor (Durchmesser = 52,4 mm, Höhe mit expandiertem Kopf = 1600 mm) wurden 810 g Siliziumpartikeln mit einem mittleren Durchmesser von 284 μm vorgelegt. Das Experiment wurde bei einem Druck von 500 mbar durchgeführt. Nach dem Anfahren und Aufheizen des Wirbelbettes auf eine Temperatur von 680°C in Stickstoff wurde die Silankonzentration (SiHt) im Versuch V7 am Eingang des Reaktors von 0 auf 100 Vol.-% bezogen auf die Gesamtmenge an zugeführtem Silan und Stickstoff eingestellt. Nachdem die Partikeln durch die Abscheidung von Silan (SiH4) im mittleren Durchmesser von 284 μm auf 333 μm angewachsen waren, wurden diese nach dem Abkühlen aus dem Reaktor entfernt. Dann wurden anhand einer Massenbilanz die Selektivitäten zur Bildung von CVD-Silizium, Keimpartikeln und Staub bestimmt (Tabelle 3).
Anschließend wurde eine repräsentative Probe von 800 g der Siliziumpartikel, die in V7 gebildet wurden, einem erneuten Pyrolyseprozess bei gleichen Bedingungen unterworfen (V8). Der mittlere Durchmesser der Partikel wuchs dabei von 333 μm auf 361 μm. Die Selektivität zu Keimpartikeln erhöhte sich von 22,8 % in V7 auf 44,8 % (Tabelle 3).
Die gewählten Reaktionsbedingungen führen demnach zu einer Akkumulation von Keimpartikeln in der Wirbelschicht, wobei die Keimpartikel von durchschnittlich 45 μm nach V7 auf 72 μm nach V8 wuchsen. Bei steigender Betriebsdauer erhöht sich also sowohl die Anzahl als auch die Größe der Keimpartikel.
Figure imgf000014_0001
Tabelle 3 : p ot: Gesamtdruck psiH4: Partialdruck von SiH4 im zugeführten Gasstrom SCVD: Selektivität zur Bildung von CVD-Silizium SκeimPart.: Selektivität zur Bildung von Keimpartikeln Sstaub: Selektivität zur Bildung von Staub
Beispiel 4 Betriebszustand zum verstärkten Anwachsen der Keimpartikeln
In einem Versuchswirbelschichtreaktor (Durchmesser = 52,4 mm, Höhe mit expandiertem Kopf = 1600 mm) wurden 890 g Siliziumpartikeln mit einem mittleren Durchmesser von 345 μm vorgelegt. Der Versuch (V9) wurde bei einem Druck von 500 mbar durchgeführt. Nach dem Anfahren und Aufheizen des Wirbelbettes auf eine Temperatur von 680°C in Wasserstoff wurde die Silankonzentration (SiELi) am Eingang des Reaktors von 0 auf 10 Vol.-% bezogen auf die Gesamtmenge an zugeführtem Silan und Stickstoff eingestellt und die Reaktion durchgeführt, bis die Siliziumpartikeln durch die Abscheidung von Silan (SiH4) im mittleren Durchmesser von 345 μm auf 366 μm angewachsen waren. Diese wurden nach dem Abkühlen aus dem Reaktor entfernt. Dann wurden anhand einer Massenbilanz die Selektivitäten zur Bildung von CVD-Silizium, Keimpartikeln und Staub bestimmt (Tabelle 4). Es zeigte sich keine Bildung von Keimpartikeln.
Figure imgf000015_0001
Tabelle 4 : ptot: Gesamtdruck
XSΪH4: Anteil an SiEU im zugeführten Gasstrom SCVD: Selektivität zur Bildung von CVD-Silizium SκeimPart.: Selektivität zur Bildung von Keimpartikeln Sstaub^ Selektivität zur Bildung von Staub

Claims

Patentansprüche
1. Herstellung von granulärem Silizium durch thermische Zersetzung eines siliziumhaltigen Gases, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verfahrensführung mit mindestens zwei Betriebszuständen durchgeführt wird, in denen
a) in einem Zustand verstärkt Keimpartikeln aus der thermischen Zersetzung des siliziumhaltigen Gases generiert werden und
b) in einem weiteren Zustand diese Partikeln durch hauptsächlich stattfindende Abscheidung von Silizium vergrößert werden.
2. Herstellung von granulärem Silizium gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verfahrensführung mit mindestens zwei Betriebszuständen durchgeführt wird, wobei
a) in einem Betriebszustand der Partialdruck des siliziumhaltigen Gases > 200 mbar beträgt und
b) in einem weiteren Betriebszustand der Partialdruck des siliziumhaltigen Gases <200 mbar beträgt.
3. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustände a) und b) durch einen oder mehrere weitere Betriebszustände unterbrochen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den weiteren Betriebszuständen um Spülungen mit Inertgasen oder Reaktivgasen, eine Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur, eine Veränderung der Konzentration des siliziumhaltigen Gases, eine Veränderung der Gasge- schwindigkeit, eine Zugabe von weiteren siliziumhaltigen Gasen oder die Zugabe oder Entnahme von Partikeln handelt.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Zersetzung eines siliziumhaltigen Gases in Gegenwart von Partikeln durchgeführt wird, die vom zugeführten Gas derart durchströmt werden, dass die Partikeln fluidisiert werden und sich eine Wirbelschicht ausbildet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Partikel Siliziumpartikel verwendet werden.
7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einen Durchmesser zwischen 50 und 5000 μm aufweisen.
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstromgeschwindigkeit des zugeführten Gases im Verhältnis zur Lockerungsgeschwindigkeit Werte von 1 bis 10 annimmt.
9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Zugabe von Partikeln und der Austrag des hergestellten Siliziums kontinuierlich oder absatzweise durchgeführt wird.
10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als siliziumhaltiges Gas ein Silan verwendet wird.
11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als siliziumhaltiges Gas SiH verwendet und bei Temperaturen von 500 bis 1400°C gearbeitet wird.
12. Verwendung des gemäß der Ansprüche 1 bis 11 hergestellten Siliziums in der Photovoltaik.
13. Verwendung des gemäß der Ansprüche 1 bis 11 hergestellten Siliziums zur Herstellung von elektronischen Bauteilen.
14. Hochreine, granuläre Siliziumpartikel, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine kernlose Struktur aufweisen.
15. Hochreine, granuläre Siliziumpartikel gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Verfahren gemäß wenigstens eines der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt werden.
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